纸浆浓度的系统设计样本.doc

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目 录

一、 设计背景·························································1
二、 纸浆浓度控制系统的数学模型及工作原理 1
2.1纸浆浓度控制系统的数学模型·····························
2.2纸浆浓度控制系统的工作原理·································
三、 单片机硬件电路 4
3.1ADC0809模数转换器 4
3.2选择芯片89C51 4
3.3蜂鸣器··················································
3.4硬件原理图···············································
五、 主要程序 10
六、 设计总结···················································

1. 设计背景
在制浆生产过程中, 纸浆浓度的精确控制能够稳定打浆效果, 对于抄纸过程则能够稳定上网纸浆浓 度、 减少纸张定量波动、 增加抄纸生产稳定性、 提高纸张质量, 因此, 稳定地调节纸浆浓度是实现工艺目标, 达到质量标准的重要环节, 也是较难解决的问题之一。纸浆浓度的调节过程是一个纯滞后过程, 其滞后时间受浆料流速、 浓度变送器的安装位置等因素影响 。基于上述基础之上, 提出了专家PID控制的方案。
2 纸浆浓度控制系统的数学模型及工作原理
2.1 纸浆浓度控制系统的数学模型
浓度控制系统由纸浆浓度变送器( 浓度计) 、 电动调节阀、 浓度控制器三部分组成, 如图 1 所示:

要对浓度控制系统做更深入的讨论, 必须要有系统的数学模型, 在此给出了系统的数学模型, 其浓度控制的传递函数表示式为: .为纸浆浓度测量的拉氏变 换, U(s)为阀门开度的拉氏变换。

2.2纸浆浓度控制系统的工作原理
纸浆浓度自动控制系统组成如图 2 所示。纸浆浓度变送器把浆管内流动的浆料的浓度转 换成 4-20mA 电流信号送入浓度控制器。经过 A/D 转换成浓度数值信号送显示器, 并将此浓 度值与用户设定值比较, 控制器按两者差值调节电动阀的开度, 从而调节进入浆泵的稀释水 量, 使输浆管内的浆料浓度发生变化, 这时浓度变送器将检测到新的浓度。重复上述过程, 使浆料浓度逐渐接近用户设定的浓度值, 最终得到浓度稳定的浆料。( 因为是用稀释手段调 节浓度, 在使用中需保证来浆浓度高于设定浓度。)

图2

3.硬件电路
3.1ADC0809模数转换器
ADC0809是采样分辨率为8位的、 以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关, 它能够根据地址码锁存译码后的信号, 只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它由8路模拟开关、 地址锁存与译码器、 比较器、 8位开关树型A/D转换器、 逐次逼近。

ADC0809原理图
3.2选择芯片89C51
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、 高性能CMOS8位微处理器, 。单片机的可擦除只读存储器能够重复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造, 与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中, ATMEL的89C51是一种高效微控制器。

引脚说明: ①电源引脚
          Vcc( 40脚) : 典型值＋5V。 Vss( 20脚) : 接低电平。
        ②外部晶振X1、 X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时, X2接振荡信号, X1接地.③输入输出口引脚:
      ④控制引脚: RST/Vpd、 ALE/-PROG、 -PSEN、 -EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。

3.3蜂鸣器
蜂鸣器用于电压越界时的声音报警。

蜂鸣器原理图

3.4硬件原理图

硬件原理图

说明: 硬件原理图由89C51单片机, ADC0809模数转换器, DA数模转换器, 电位器, 蜂鸣器和七段LED显示其组成。

4 PID 控制
当前在造纸行业中普遍采用传统PID算法, 传统PID算法虽然具有结构简单实现方便、 适应性强等特点, 但在实际运行过程中不能满足实际生产的要求, 其主要表现在: 1) 在纸浆浓度调节中, 由于电动执行器属于惯性环节, 采用传统PID调节必产生严重的滞后效应, 很难使系统取得良好的控制效果; 2) 由于过程参教在生产过程中变化很大, 加之设备的老化和来自其它方面的干扰, 因此, 一般的固定参数控制器无法适应这些变化, 不能始终保持最优运行, 有时甚至出现稳定性问题。间单地说, 也就是调节缓慢、 抗干扰能力弱、 稳定性差等。在上述基础上, 提出了专家PID控制改进方案。专家系统是指将专家系统理论和技术同控制理论方法技术相结合, 在未知环境下, 仿效专家的智能, 实现对系统的控制。而专家PID控制是将专家控制原理与常规PID控制相结合, 能够相互取长补短, 进一步提高系统的控制性能。专家PID控制器原理框图如图3所示。

PID控制器原理框图
根据常规PID控制的误差值e(k)及其变化特征, 可设计专家PID控制规则, 该控制规则可分为如下6种情况:
(1)当 | ∆e(k)|> Mm 时, 说明误差的绝对值比较大。此时, 不论误差变化趋势如何, 都应考虑较强的控制作用, 即控制器的输出应按最大或最小方向输出, 以使误差尽快减小而达到迅速调整误差的目的。控制器输出可为 u(k)=u(k-1)+ k1 kp e(k)
(2)当 e(k) ∆e(k)>0时, 说明误差在朝误差绝对值增大方向变化。此时, 如果|e(k)|> MS , 说明误差也较大, 可考虑由控制器实施较强的控制作用, 以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化, 并迅速减小误差的绝对值, 控制器输出可为
u(k)=u(k-1)+ k1 { kp [e(k)-e(k-1)]+ ki e(k)+ kd [e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]} (3) 此时, 如果|e(k)|< MS , 说明尽管误差朝绝对值增大方向变化, 但误差绝对值本身并不很大, 为防止超调, 可根据误差的大小选择适当的控制量扭转误差的变化趋势, 使其朝误 差绝对值减小方向变化即可。
(3) 当 e(k) ∆e(k)<O, ∆e(k) ∆e(k一1)>0或者时, 说明误差的绝对值朝减小的方向 变化, 此时, 比例作用应该同步减小;由于系统输出的变化率增大, 因此微分作用应该加强, 。
(4) 当e( k)=0时, 说明系统已经达到平衡状态, 此时, 可考虑采取保持控制器输出u(k) 不变。
(5) 当e(k) ∆e(k)<O, ∆e(k) ∆e(k-1)<0时, 说明误差处于极值状态, 此时如果引人 积分作用是不合适的, 对于没有纯滞后或时滞很小的快速过程来说, 这一点影响不大, 即|e(k)|>MS, 能够考虑实施较强的比例微分(PD)控制作用u(k)=u(k-1)+ k1 { kp [e(k)-e(k-1)]+ kd [e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}
如果此时误差的绝对值较小, 即|e(k)| < MS ,可考虑实施较弱的比例微分(PD)控制作用 u(k)=u(k-1)+ k2 { kp [e(k)-e(k-1)]+ kd [e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}
(6) 当|e(k)|<ε 时, 说明误差的绝对值很小, 此时为减少稳态误差, 控制器采用比例积分(PI)作用 u(k)=u(k-1)+ kp [e(k)-e(k-1)] + ki e(k)式中, u(k)为第k次控制器的输出; u(k-1)为第k-1次控制器的输出; e(k)为误差e的第k个极值; k1 为增益放大系数, 且 k1 >1; k2 为抑制系数, 且0< k2 <1; M m , M S 为设定的误差界限, 且 Mm > MS ; ε
方案流程图
5 专家PID控制器在纸浆浓度控制系的应用
5.1专家PID控制器S-Function的实现 用Matlab编写S-Function, 其基本为: [sys,x0,str,ts]=Functionname(t,x,u,flag,cl,c2?) functionname表S-Function的名字; t表示仿真时间; x表示状态矢量; x0表示初始状态值, 没有状态时为空; u表示模块输入; flag为标志参数, 用于控制在每个仿真阶段对 S-Function的调用, sys为返回参数, 返回值取决于flag的值;cl,c2, …表示模块的传递参 数; str表示状态命令串, 一般为空; ts为采样时间。
在M文件编辑器里编写专家PID控制器S-Function主要代码为:

function [sys,x0,qtr,ts]=exp_pidf(t,x,u,flag,kp,ki,kd,MTab)
if abs(flag==3)
i=find(abs(x(1))>MTab(:,1)) %Rulel
if length(i)>0
sys=(kp,ki,kd)*x;
end
if x(1)*x(3)>0 | (abs(x(3))<eps) %Rule2
if abs(x(1))>=0.05
sys=u(3)+2*kp*x(1);
else
sys=u(3)+0.4*kp*x(1);
end
end
if x(1)*x(3)<0 & x(3)*u(4)<0 %Rule5
if abs(x(1))>=0.05
else
sys=u(3)+0.6*kp*u(2);
end
end
if abs(x(1))<=0.001 %Rule6:Integration separation PI control
sys=0.5*x(1)+0.010*x(2);
end
sys=[sys; x(3)];
else if flag==0
sys=[0;3;2;4;1;1];
else sys=[];
end
6.设计总结
采用专家P1D控制实现较为简单, 能够得出。由纯滞后引起的控制品质下降得到了很好的抑制, 而且超调量和调节时间明显缩短。其控制效果优于常规PID控制, 有利于企业在节省生产成本的基础上提高纸张质量。